ES2326600T3 - Emulador de canal mimo. - Google Patents
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Abstract
Emulador de canal MIMO dispuesto entre al menos un transmisor de radiofrecuencia multiantena y un receptor de radiofrecuencia multiantena que comprende un emulador de matriz de transmisión para simular el canal de radio de sistemas multiantena MIMO con N+M puertos (1) de radiofrecuencia, de los cuales N son puertos de entrada que van a conectarse a dicho transmisor multiantena y M son puertos de salida que van a conectarse a dicho receptor multiantena, caracterizado porque comprende una serie de conversores (2) electro-ópticos bidireccionales asociados a dichos N+M puertos (1) de radiofrecuencia de dicho emulador de matriz de transmisión para convertir señales de radiofrecuencia procedentes de dicho transmisor y/o de dicho receptor en señales ópticas y viceversa, y porque dicho emulador de matriz de transmisión está adaptado para procesar dichas señales ópticas con el fin de llevar a cabo la emulación de las NxM trayectorias de radiofrecuencia.
Description
Emulador de canal MIMO.
La presente invención se refiere a un emulador
de canal para la caracterización de la calidad de transmisión y
recepción de un equipo o conjunto de equipos transceptores de radio
que incorporan más de una antena transmisora y más de una antena
receptora, conocidos con el acrónimo MIMO (Multiple Input
Multiple Output).
Esta invención tiene su aplicación en el campo
de las telecomunicaciones y más concretamente en el campo de las
comunicaciones móviles. La invención no está limitada a ningún
sistema de comunicaciones en concreto, ya sea de segunda generación
(2G), tercera generación (3G), redes móviles inalámbricas (WLAN), o
sistemas de comunicaciones de radio todavía no normalizados.
Con el fin de medir la calidad, definida como el
valor de uno o varios parámetros de un equipo transceptor en un
laboratorio, el procedimiento que normalmente se sigue es el
siguiente:
1. Con un equipo adecuado o equipo de
transmisión de señal de prueba, se genera una señal de prueba.
2. La señal de prueba se inyecta al equipo de
transmisión de radio objeto de la medición y también a un equipo de
recepción de señal de prueba.
3. La señal de radio de salida del equipo de
transmisión de radio objeto de la medición se conecta a un emulador
de canal de radio.
4. La salida del emulador de canal de radio se
conecta al equipo de recepción de radio objeto de la medición
5. La salida del equipo de recepción de radio
objeto de la medición se conecta al equipo de recepción de señal de
prueba.
6. El equipo de recepción de señal compara la
señal de prueba procedente del transmisor de señal de prueba con la
señal procedente del equipo de recepción de radio objeto de la
medición. A partir del resultado de la comparación se cuantifica el
parámetro o parámetros de calidad objeto de la medición.
El generador de señal de prueba y el receptor de
señal de prueba pueden ser equipos separados o bien un único
equipo, que incluye tanto el transmisor como el receptor.
Generalmente son equipos de instrumentación comerciales, aunque
también pueden ser equipos configurados por el operador del sistema
de medición.
El emulador de canal puede ser un simple
atenuador, que ajusta la potencia de salida del transmisor al margen
dinámico del receptor, o puede ser también un equipo más complejo
que simula efectos tales como desvanecimiento, o reflexiones
múltiples. En lo sucesivo en el presente documento, a este emulador,
ya sea un simple atenuador o un simulador de desvanecimiento o de
reflexiones múltiples, se le denominará emulador de canal de un par
de antenas.
Los emuladores conocidos generalmente realizan
la emulación mediante procesamiento de señal digital, que consiste
en transferir la señal de radiofrecuencia a frecuencia intermedia y
digitalizarla y, una vez digitalizada, se la procesa implementando
numéricamente la característica de propagación multicanal, para a
continuación volver a convertir la señal digital a analógica y
transferirla a radiofrecuencia.
Tal es el caso de la propuesta aportada por el
artículo "A portable MIMO Testbed and Selected Channel
Measurements", documento en el que se analiza un emulador
mediante FPGA, y por tanto con procesamiento de señal digital,
realizado en la Universidad de Alberta.
Otros emuladores de canal de transmisión de
sistema MIMO se describe en la solicitud de patente US 2003/
0050020, que se refiere a un emulador que trabaja directamente sobre la señal analógica, mediante una matriz de mezclado de emulador de canal, y teniendo en cuenta el ruido y las posibles señales de interferencia. Los elementos que forman dicha matriz son desfasadores y combinadores, que no son los más idóneos si se desea incluir retardos de propagación muy largos en el tiempo (superiores al microsegundo) en banda ancha, ni tienen altos niveles de aislamiento entre los puertos de entrada y salida de señales de RF, al existir mecanismos de acoplamiento eléctrico significativos.
0050020, que se refiere a un emulador que trabaja directamente sobre la señal analógica, mediante una matriz de mezclado de emulador de canal, y teniendo en cuenta el ruido y las posibles señales de interferencia. Los elementos que forman dicha matriz son desfasadores y combinadores, que no son los más idóneos si se desea incluir retardos de propagación muy largos en el tiempo (superiores al microsegundo) en banda ancha, ni tienen altos niveles de aislamiento entre los puertos de entrada y salida de señales de RF, al existir mecanismos de acoplamiento eléctrico significativos.
La solicitud de patente WO 02/069531 describe un
simulador de canal para realizar simulación de canal en una señal
de radiofrecuencia utilizada en transferencia de datos inalámbrica.
El simulador de canal se dispone para dividir la banda total
reservada para la señal que va a aplicarse a las diferentes unidades
de simulación de canal en al menos dos subbandas y realizar
simulación de canal en señales correspondientes a cada subbanda. En
cada unidad de simulador de canal, la simulación se realiza por
medio de un filtro FIR.
Es necesario ofrecer una alternativa al estado
de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, en lo
referente a sistemas emuladores de transceptores MIMO, que
incorporen una serie de estructuras y elementos internos de
características más ventajosas, en cuanto a eficacia, tal como la
referida a conseguir retardos de propagación muy largos en el
tiempo, y sin las desventajas mencionadas anteriormente, tal como el
bajo nivel de aislamiento provocado por los mecanismos de
acoplamiento eléctrico.
La presente invención se refiere a un equipo
para la medición de equipos transceptores de radio multiantena, o
emulador de canal para la caracterización de la calidad de
transmisión y recepción de dichos transceptores, también denominado
emulador de matriz de transmisión.
La presente invención se refiere a un emulador
de canal MIMO dispuesto entre al menos un transmisor de
radiofrecuencia multiantena y un receptor de radiofrecuencia
multiantena, que comprende al menos un emulador de matriz de
transmisión para la simulación de sistemas multiantena MIMO con N+M
puertos 1 de radiofrecuencia, de los cuales N son puertos de
entrada, que van a conectarse a dicho transmisor multiantena, y M
son puertos de salida, que van a conectarse a dicho receptor
multiantena.
El emulador propuesto por la presente invención
comprende una serie de conversores electro-ópticos bidireccionales
asociados a dichos N+M puertos de radiofrecuencia de dicho emulador
de matriz de transmisión para convertir señales de radiofrecuencia
procedentes de dicho transmisor y/o de dicho receptor a señales
ópticas y viceversa, y dicho emulador de matriz de transmisión está
adaptado para procesar dichas señales ópticas con el fin de llevar
a cabo la emulación de las trayectorias de radiofrecuencia NxM.
En una realización, dicha matriz de transmisión
comprende una serie de atenuadores ópticos variables para ajustar
algunas atenuaciones para cada una de las trayectorias posibles
entre sus puertos en el dominio óptico y/o una serie de elementos
de generación de retardo variable para ajustar algunos retardos para
cada una de las trayectorias posibles entre sus puertos en el
dominio óptico.
El emulador propuesto comprende también una
serie de acopladores ópticos bidireccionales, asociados a dichos
conversores electro-ópticos bidireccionales, para dividir las
señales ópticas de entrada en una serie de réplicas nominalmente
iguales, en un sentido, y combinar las señales ópticas de entrada,
en el sentido opuesto.
En una realización, el emulador según la
invención está adaptado para trabajar con diferentes interfaces de
radio, entendiéndose por tal cualquier método estandarizado,
presente o futuro, que se emplee para servicios de acceso de radio
del tipo de telefonía móvil celular, redes locales inalámbricas o
sistemas inalámbricos de cobertura extensa y/o diferentes anchos de
banda eléctricos dependiendo de la implementación física del
emulador y de las características de los elementos ópticos y
eléctricos que lo forman, con la correspondiente conversión de las
señales de radiofrecuencia, procedentes de dichas interfaces y/o
ubicadas en dichos anchos de banda, en señales ópticas.
El emulador de canal MIMO también está adaptado
para procesar, de forma simultánea y/o individual, diferentes
señales de radiofrecuencia y/o con distintos protocolos y/o
estándares de radio.
Otras funciones que va a realizar el emulador, y
para las cuales está adaptado, consisten en ajustar la potencia de
salida de dicho transmisor al margen dinámico de dicho receptor,
simular efectos de desvanecimiento de señales y efectos de
reflexiones múltiples.
Éstas y otras características y ventajas de la
presente invención se comprenderán mejor a partir de la siguiente
descripción detallada de varias realizaciones con referencia a los
dibujos adjuntos, que deben considerarse ilustrativos y no
limitativos, y en los que:
la figura 1 es un diagrama funcional de un
sistema genérico de medición de equipo transceptor de radio con un
único par de antenas,
la figura 2 es un diagrama funcional de sistema
genérico de medición de un equipo transceptor de radio
multiantena,
la figura 3 es un diagrama esquemático del
emulador propuesto por la presente invención para una realización,
y
la figura 4 es un esquema representativo de una
línea óptica de retardo variable en incrementos discretos.
La figura 1 muestra un diagrama funcional de un
sistema genérico para medir un equipo transceptor de radio con un
único par de antenas, una antena de transmisión y otra de recepción.
Consiste en un transmisor de prueba, un receptor de prueba y un
emulador de canal con un par de antenas. La figura muestra también
un equipo transceptor objeto de la medición, que consiste en un
transmisor y un receptor.
El proceso de medición que se implementa con el
emulador objeto de la invención consiste en sustituir el emulador
de canal de un par de antenas por el emulador de matriz de
transmisión, que es un emulador multicanal en el dominio analógico
realizado mediante técnicas de radiofrecuencia y ópticas. La figura
2 muestra un diagrama funcional que representa la incorporación del
emulador propuesto por la presente invención en un sistema de
medición, que también incorpora un transmisor de prueba y un
receptor de prueba, para la medición de un equipo transceptor de
radio multiantena.
El emulador de matriz de transmisión objeto de
esta invención, representado como un bloque en la figura 2, emula
NxM trayectorias de radiofrecuencia con características de
propagación controlables de forma individual por el operador. La
emulación se realiza a nivel óptico, previa conversión de las
señales de radiofrecuencia en formato óptico, por la mayor
facilidad de implementación de retardos grandes (superiores al
microsegundo) de propagación en banda ancha a nivel óptico que a
nivel eléctrico. Consiste en las siguientes partes:
- 1.
- Un conjunto de N+M puertos de radiofrecuencia. Hay N puertos en un extremo del emulador, que en adelante se denomina extremo izquierdo, y M puertos en el otro extremo, que en adelante se denomina extremo derecho. Los puertos son bidireccionales, y físicamente son dos conectores de radiofrecuencia, uno para cada sentido de transmisión. En un caso de comunicaciones móviles, por ejemplo, un extremo correspondería al lado de la estación base, nodo B o punto de acceso, y el otro al extremo de terminales.
- 2.
- Un conjunto de N+M conversores electro-ópticos bidireccionales, cada uno conectado a un puerto de emulador. Hay N conversores electro-ópticos en el extremo izquierdo del emulador y M conversores electro-ópticos en el extremo derecho. Cada conversor electro-óptico presenta dos conectores de radiofrecuencia, uno para cada sentido de transmisión, y un único conector óptico bidireccional. Los conectores de radiofrecuencia están conectados funcionalmente a los conectores de radiofrecuencia de un puerto de emulador. Físicamente pueden ser conectores distintos, o el mismo conector. La función de los conversores es convertir las señales de radiofrecuencia de los puertos del emulador en señales ópticas dentro del emulador.
- 3.
- Un conjunto de N acopladores ópticos del tipo pxM, donde generalmente p=1, aunque eventualmente p>1, para la inserción de señales adicionales en el emulador, o para extraer muestras de señal. Los N acopladores ópticos se conectan a los N conversores electro-ópticos del extremo izquierdo, un acoplador por conversor. En el sentido de propagación de izquierda a derecha, la señal óptica que entra en el acoplador se divide en M réplicas nominalmente iguales. En el sentido de propagación de derecha a izquierda, cada acoplador combina las señales ópticas que entran en sus M puertos de su extremo derecho. En ambos sentidos de transmisión, las pérdidas de inserción óptica superan 10\cdotlog(M), expresadas en decibelios.
- 4.
- Un conjunto de NxM atenuadores ópticos variables controlables desde el puerto de control. Hay un atenuador óptico conectado a cada uno de los M puertos del extremo derecho de cada uno de los N acopladores.
- 5.
- Un conjunto de NxM elementos de generación de retardo variable a intervalos discretos. Hay una línea óptica de retardo variable conectada a cada uno de los NxM atenuadores ópticos. La función de cada elemento es la de actuar como línea de retardo variable a intervalos discretos. La variabilidad de la longitud se controla desde el puerto de control.
\vskip1.000000\baselineskip
Los NxM atenuadores ópticos pueden intercambiar
su posición con los NxM elementos de generación de retardo, sin
variación alguna en la funcionalidad del emulador.
- 6.
- Un conjunto de M acopladores ópticos de p'xN, donde generalmente p'=1, aunque eventualmente p'>1, para la inserción de señales adicionales en el emulador, o para extraer muestras de señal. En su extremo izquierdo, cada uno de los N puertos de cada acoplador se conecta a un par formado por un atenuador variable y un elemento de generación de retardo variable. En su extremo derecho los M acopladores ópticos se conectan a un conjunto de M conversores electro-ópticos, un conversor por acoplador. En el sentido de propagación de izquierda a derecha, cada acoplador combina las señales ópticas que entran en sus N puertos de su extremo izquierdo. En el sentido de propagación de derecha a izquierda, cada acoplador divide las señales que entran por su extremo derecho en N réplicas nominalmente iguales. En ambos sentidos de transmisión, las pérdidas de inserción óptica superan 10\cdotlog(M), expresadas en decibelios.
- 7.
- Un elemento de control, con un puerto de control eléctrico externo que, conectado adecuadamente a los atenuadores ópticos variables y los elementos de generación de retardo variable, controla la atenuación y retardo de las NxM trayectorias de propagación que se establecen entre los N puertos del extremo izquierdo y los M puertos del extremo derecho.
- 8.
- Una aplicación de control, que reside parcial o totalmente en el elemento de control y también parcial o totalmente en el otro elemento de control fuera del emulador de matriz de transmisión, como puede ser el caso, por ejemplo, de un ordenador personal.
La aplicación de control implementa perfiles de
atenuación y retardo de trayectorias de propagación. Puede
configurarse mediante el operador del sistema de medición. Los
perfiles de atenuación y retardo pueden programarse siguiendo
modelos teóricos, o bien modelos que implementan perfiles
estadísticos obtenidos a partir de resultados de medición.
Por medio de una realización preferida, la
figura 3 muestra un emulador de matriz de transmisión para sistemas
multiantena MIMO con cuatro puertos en su extremo izquierdo y dos
puertos en su extremo derecho. Con referencia a la figura 3, el
emulador de matriz de transmisión para la medición de sistemas
multiantena MIMO está formado por los siguientes bloques
funcionales:
N+M puertos 1 de radiofrecuencia. La figura 3
distingue N=4 y M=2. Los puertos de radiofrecuencia presentan dos
conectores de radiofrecuencia, uno por cada sentido de transmisión,
o bien uno solo. En este segundo caso los puertos pueden incorporar
un circulador, para presentar un único conector hacia el exterior
del emulador y dos hacia el interior.
N+M conversores 2 electro-ópticos
bidireccionales. Transforman las señales de radiofrecuencia
presentes en los extremos correspondientes al exterior del equipo
en señales ópticas en los extremos correspondientes el interior del
equipo. La conversión de formato eléctrico en óptico se consigue o
bien modulando un dispositivo láser mediante inyección de corriente
o bien inyectando la señal de radiofrecuencia en un modulador
electro-óptico conectado a un dispositivo láser. La conversión de
formato óptico en eléctrico se obtiene inyectando la señal óptica
en un dispositivo fotodetector, seguido de un elemento de
amplificación de radiofrecuencia.
N acopladores 3 ópticos, de 1xM, que en conjunto
distribuyen las N señales de entrada convertidas en formato óptico
a NxM líneas ópticas. Posteriormente estas NxM señales resultantes
se atenúan y retardan de forma individual en NxM atenuadores 4
variables y NxM elementos 5 de generación de retardo variable a
intervalos discretos.
Los elementos 5 de generación de retardo
variable a intervalos se pueden implementarse de múltiples formas,
combinando diferentes dispositivos ópticos. En la figura 4 se
representa un ejemplo llevado a cabo mediante conmutadores ópticos
y secciones de fibra óptica de longitudes diferentes. En ella, se
conectan en cascada secciones de fibra de longitud diferente
mediante conmutadores ópticos de 1x2 y 2x2, pudiéndose obtener un
retardo de i\cdot\tau, siendo i un número entero
variable entre 0 y 7, y \tau un retardo fijo,
correspondiente al tiempo que tarda la luz en propagarse por una
sección de fibra óptica de una longitud fija, determinada en el
momento de diseñar el equipo.
M acopladores 6 ópticos, de 1xN, que combinan
las señales procedentes de los NxM conjuntos de atenuadores
variables y líneas de retardo variables y las encaminan hacia M
conversores electro-ópticos.
Un elemento de control 7 en el que reside una
aplicación 8 de control que lleva cabo al menos las funciones
siguientes: (a) configuración variable en el tiempo de las
atenuaciones de las NxM trayectorias de propagación de la matriz de
atenuación (b) configuración variable en el tiempo de los NxM
retardos de los NxM elementos de generación de retardo (c)
calibración automática de las atenuaciones y retardos al comienzo de
cada sesión de medición, para ajustar las diferencias de atenuación
y retardo entre las NxM trayectorias de propagación (d)
presentación del menú de usuario.
Un experto en la técnica podría introducir
cambios y modificaciones en las realizaciones descritas sin alejarse
del alcance de la invención según se define en las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (9)
1. Emulador de canal MIMO dispuesto entre al
menos un transmisor de radiofrecuencia multiantena y un receptor de
radiofrecuencia multiantena que comprende un emulador de matriz de
transmisión para simular el canal de radio de sistemas multiantena
MIMO con N+M puertos (1) de radiofrecuencia, de los cuales N son
puertos de entrada que van a conectarse a dicho transmisor
multiantena y M son puertos de salida que van a conectarse a dicho
receptor multiantena, caracterizado porque comprende una
serie de conversores (2) electro-ópticos bidireccionales asociados
a dichos N+M puertos (1) de radiofrecuencia de dicho emulador de
matriz de transmisión para convertir señales de radiofrecuencia
procedentes de dicho transmisor y/o de dicho receptor en señales
ópticas y viceversa, y porque dicho emulador de matriz de
transmisión está adaptado para procesar dichas señales ópticas con
el fin de llevar a cabo la emulación de las NxM trayectorias de
radiofrecuencia.
2. Emulador según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho emulador de matriz de transmisión
comprende una serie de atenuadores (4) ópticos variables para
ajustar algunas atenuaciones para cada una de las trayectorias
posibles entre sus puertos en el dominio óptico.
3. Emulador según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque dicho emulador de matriz de transmisión
comprende una serie de elementos (5) de generación de retardo
variable para ajustar algunos retardos para cada una de las
trayectorias posibles entre sus puertos en el dominio óptico.
4. Emulador según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
una serie de acopladores (3) ópticos bidireccionales, asociados a
dichos conversores (2) electro-ópticos bidireccionales, para
dividir las señales ópticas de entrada en una serie de réplicas
nominalmente iguales en un sentido, y combinar las señales ópticas
de entrada, en el sentido opuesto.
5. Emulador según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está
adaptado para trabajar con diferentes interfaces de radio y/o
diferentes anchos de banda eléctricos, con la correspondiente
conversión de las señales de radiofrecuencia, procedentes de dichas
interfaces y/o ubicadas en dichos anchos de banda, en señales
ópticas.
6. Emulador según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está
adaptado para procesar, de forma simultánea y/o individual,
diferentes señales de radiofrecuencia y/o con distintos protocolos
y/o estándares radio.
7. Emulador según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está
adaptado para ajustar la potencia de salida de dicho transmisor al
margen dinámico de dicho receptor y/o para simular efectos de
desvanecimiento de señales y/o para simular efectos de reflexiones
múltiples.
8. Emulador según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
un módulo o elemento (7) de control adaptado para controlar al
menos dicho emulador de matriz de transmisión.
9. Emulador según la reivindicación 3,
caracterizado porque dichos elementos (5) de generación de
retardo variable están formados por una serie de conmutadores
ópticos conectados a secciones de fibra óptica de distinta longitud
entre sí.
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